Иван Петлишенко родился в 1878 году на хуторе Сочеванов вблизи села Марьяновка (ныне в Кропивницком районе Кировоградской области Украины) в семье бедного крестьянина.
Его дядя, украинский актёр и драматург М. Л. Кропивницкий помог Ивану и его младшему брату Марку окончить Купянское уездное училище, а в 1895 году принял их в свою труппу, где молодой актёр начал выступать под псевдонимом Марьяненко. Первый успех пришёл с ролью Власа в пьесе М. Л. Кропивницкого «Олеся».
В 1899 году перешёл в труппу А. З. Суслова, где утвердился в амплуа лирического любовника (1899—1906). С труппой гастролировал в Москве и Санкт-Петербурге. В 1903—1904 годах — в труппе Ф. П. Волика. В 1907 году поступил в первый постоянный украинский Театр Н. К. Садовского, открытый в Киеве, где работал до 1914 года. В 1914—1915 годах — актёр 2-го Киевского городского русского театра антрепренёра Б. фон Мевеса.
В 1915 году сформировал Товарищество украинских актёров, в состав которого вошли как молодые актёры, так и известные: П. К. Саксаганский и М. К. Заньковецкая. Здесь выступал не только как актёр, но и как режиссёр.
В 1917 году — директор, актёр и режиссёр Национального образцового театра, созданного по инициативе Товарищества «Национальный театр», в 1918 — актёр Государственного драматического театра, в 1919—1923 — комиссар (директор), актёр Первого театра Украинской советской республики им. Т. Шевченко (ныне Днепровский драматический театр имени Т. Шевченко), созданного на базе Государственного драматического театра и Народного театра, созданного на базе Национального образцового театра (все в Киеве).
В 1923 году как актёр вступил в театр «Березиль» в Киеве (с 1926 — в Харькове, с 1935 — Харьковский украинский драматический театр имени Шевченко), которым руководил Лесь Курбас. Когда начались гонения на Л. Курбаса, пытался выступать в защиту режиссёра, но безуспешно. После разгрома театра в 1933—1934 годах остался в труппе. В 1935—1958 годах — актёр Харьковского украинского драматического театра им. Т. Шевченко. В 1925 году — актёр Харьковского театра им. И.Франко (ныне Национальный академический драматический театр имени Ивана Франко в Киеве).
У многих вызвало удивление вступление именитого актёра в экспериментальный театр. Но сам артист, когда бы ни вспоминал о своём содружестве с Л. Курбасом, говорил: «Вспоминая то время, считаю, что принял целиком правильное решение. И поэтому я дожил до конца своей сценической жизни именно в коллективе этого театра».
Развивая традиции украинского театра, создал галерею образов в комедии, драме и трагедии.
В 1933—1935 годах позировал М. Г. Манизеру для фигуры связанного казака многофигурного памятника Шевченко в Харькове.
В 1907—1917 годах преподавал в Киевской музыкально-драматической школе Н. В. Лисенка, в 1917—1925 — в созданном на базе этой школы Высшем музыкально-драматическом институте имени Н. Лысенко (ныне Киевский национальный университет театра, кино и телевидения имени И. К. Карпенко-Карого). В 1925—1941 и 1944—1961 годах вёл педагогическую работу в Харьковском театральном институте (ныне Харьковский национальный университет искусств имени И. П. Котляревского) (с 1946 — профессор кафедры актёрского мастерства). Среди учеников — В. Василько, И. Козловский, Б. Романицкий, Н. Ужвий, И. Кравцов.
С 1920 по 1923 годы — уполномоченный Наркомпроса Украинской ССР по Народному театру. С 1927 по 1932 годы — член Президиума, с 1929 по 1932 годы — член ЦК Всеукраинского Комитета профсоюза работников искусства.
Умер 4 ноября 1962 года в Харькове на 85-м году жизни. Похоронен на 2-м городском кладбище.
